COMPARACION DE PATRONES DE PRESION EN EL

Comparación LCPN-P ENAER y LACOMET
29 Diciembre 2009
COMPARACIÓN EN PRESIÓN RELATIVA NEUMÁTICA HASTA 20 BAR
ENTRE LCPN-P ENAER/CHILE Y LACOMET/COSTA RICA
José Palma *, Angel Flores.* Roger Irías Campos**, Ricardo Ugalde Muñoz**
*Laboratorio Custodio de Patrones Nacionales (LCPN-PRESIÓN), Chile.
Empresa Nacional de Aeronáutica - ENAER, Av. José Miguel Carrera N°11087.
Telephone (56) 2 383 1966, fax (56) 2 383 1707, email [email protected]
**Laboratorio Costarricense de Metrología., LACOMET Ciudad de la Investigación
Apartado 1736-2050. San Pedro de Montes de Oca.Costa Rica.
Phone: 506 283 6580, +506 280 5387, email: [email protected]
Resumen: Esta constituye la primera comparación en la magnitud de presión entre el Laboratorio Custodio
de Patrones Nacionales de Presión en Chile (con la Empresa Nacional de Aeronáutica – ENAER, designada
oficialmente el laboratorio custodio del patrón nacional) y LACOMET de Costa Rica..
Se utilizó como patrón de comparación un calibrador digital con alcance de medición de 20 bar, clase de
exactitud de 0,025% del alcance de medición y una resolución de 0,01 bar. El instrumento fue facilitado por
ENAER y la actividad se realizó dentro del marco de regulación del SIM (Sistema Interamericano de
Metrología)
En este documento se presentan los resultados de la comparación.
1.
INTRODUCCION
Las comparaciones entre Institutos Nacionales de
Metrología (INM), permiten asegurar equivalencia
de las mediciones entre los países y la diseminación
correcta de la magnitud. Esto fortalece la solidez y
la confianza, tanto en el ámbito nacional como en el
internacional, de los sistemas de medición. En esta
comparación, se realizó la calibración de un
manómetro eléctrico de alta exactitud. Se utilizó un
procedimiento con 2 ciclos, midiendo 10 presiones
en ascenso y descenso, del 0 al 100% del alcance
de medición; midiendo en total cada presión 4
veces.
Los resultados que aquí se presentan corresponden
a la primera comparación de laboratorios nacionales
entre Costa Rica (Laboratorio Costarricense de
Metrología, LACOMET) y Chile (con ENAER
designado oficialmente laboratorio custodio del
patrón nacional). La comparación se llevó a cabo
dentro del marco de regulación del SIM.
2.
OBJETIVO
Realizar una comparación en la magnitud de
presión (relativa neumática), en el alcance de
medición de hasta 20 bar entre los laboratorios
metrológicos nacionales de los países de Costa
Rica (LACOMET) y Chile (LCPN-P ENAER), con el
fin de estimar los niveles de concordancia en las
mediciones, incluyendo desviación e incertidumbre
[1, 2].
3.
DATOS GENERALES
3.1 Laboratorios participantes
Para esta comparación, los dos laboratorios
participantes utilizaron balanzas de presión
(balanzas de pesos muertos) de alta clase de
exactitud con ensamble pistón cilindro del tipo
simple, ver Tabla 1.
Laboratorio
Área efectiva
pistón- cilindro
2
(m )
LCPN-P,
1,96*10-5
Chile.
LACOMET
4,90239*10-5
Costa Rica
Gravedad
local
-2
(ms )
Alcance de U relativa a la
Medición lectura (k=2)
9,794 4
50 MPa
5*10-5
9,779050
7 MPa
1,6*10-9
Tabla 1. Laboratorios participantes y sus patrones.
3.2 Patrón de comparación
Como patrón de comparación se utilizó un
calibrador digital de presión (manómetro eléctrico).
Este manómetro digital fue facilitado por ENAER.
Las características del patrón de comparación se
presentan en la Tabla 2.
Tipo de Instrumento
Calibrador digital de presión
(Transductor-Indicador)
Alcance de medición 20 bar
Unidad de medición
bar
Resolución
0,01 bar
Clase de exactitud
0,025% del alcance total.
Fabricante
OMEGA
Modelo y número de DPI 610
identificación:
Número de serie 61025511
Comparación LCPN-P ENAER y LACOMET
29 Diciembre 2009
Tabla 2. Patrón de comparación.
Average Error and expanded uncertainty, Pilot Laboratory
(Graph 1)
3.3 Programa de la comparación
0,0040
La comparación se realizó en cuatro etapas:
LACOMET
COSTA RICA
15-12-2009
09-12-2009
29-12-2009
LCPN-PRESION ENAER
Figura 1. Rondas de la Comparación.
4.
RESULTADOS
4.1 Comportamiento del patrón de comparación
El laboratorio de ENAER realizó un estudio de la
deriva del patrón de comparación calibrándolo en 2
ocasiones. Los datos obtenidos se presentan
gráficamente y se encuentran rotulados como
ENA1, ENA2. La medición uno (1) se realizó al inicio
de la comparación, diciembre 9 del año 2009; la
medición dos (2) al término del ejercicio de
comparación bilateral, diciembre 29 del mismo año.
Error bar
0,0030
a) Preparación. ENAER realizó mediciones previas.
ENAER estableció los lineamientos generales de
la comparación con la participación y asesoría
del CENAM [3, 4, 5].
b) ENAER realizó las mediciones correspondientes
de acuerdo a las fechas programadas. LCPN-P
ENAER establece la documentación base [5, 6] y
actividades a realizar [7].
c) ENAER ejecutó la segunda ronda de medición
en
el
instrumento
empleado
para
la
comparación, de acuerdo al procedimiento
establecido por LCPN-P para la comparación,
ver Figura 1.
d) Presentación de los resultados obtenidos a
través de la emisión de informe de ENAER al
SIM para análisis de resultados y conclusiones
de la comparación, así como discusión y
aceptación de estos.
0,0020
0,0010
0,0000
0
5
10
15
20
25
-0,0010
Pressure
ENA1
ENA2
Gráfica 1. Error, E, e incertidumbre expandida, U
(k=2, 95%). ENAER, Laboratorio LCPN-P de Chile.
4.2 Datos de las mediciones
En la Tabla 3, se presentan los datos de la
comparación para los valores del error E, y en la
Tabla 4 se encuentran las incertidumbres de
medición para los diferentes puntos de presión
nominal, encontrados por los laboratorios.
bar
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
LACOMET
0,0003
0,0009
0,0007
0,0010
0,0012
0,0016
0,0015
0,0018
0,0020
0,0017
ENAER
0,0005
0,0004
0,0006
0,0005
0,0009
0,0013
0,0014
0,0013
0,0014
0,0013
Tabla 3. Error, E, obtenido en cada punto.
bar
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
LACOMET
±0,0006
±0,0006
±0,0006
±0,0006
±0,0007
±0,0007
±0,0007
±0,0008
±0,0008
±0,0009
ENAER
±0,0008
±0,0009
±0,0009
±0,0009
±0,0009
±0,0011
±0,0011
±0,0011
±0,0012
±0,0012
Tabla 4. Datos de la incertidumbre expandida, U..
Comparación LCPN-P ENAER y LACOMET
29 Diciembre 2009
Los valores que en el resto de este documento se
usan para representar los resultados obtenidos por
ENAER, para el error y la incertidumbre combinada,
son el promedio de las lecturas realizadas en el
laboratorio de ENAER en las dos diferentes fechas,
obtenidos de acuerdo a las ecuaciones siguientes.
EEnaer = (ENA1 + ENA2) / 2
(1)
UEnaer = (UENA1 + UENA2) / 2
(2)
E average with U in point of measurement point of
measurement with greater dispersion(Graph 4)
Error +/- uncertainty
0,0030
La Gráfica 2 muestra las curvas del error del patrón
de comparación obtenido por cada uno de los
laboratorios participantes.
LACOMET
ENAER
0,0025
0,0020
0,0015
0,0010
0,0005
18 bar
0,0000
Gráfica 4. Error E, con incertidumbre expandida, U,
en el punto de medición con mayor dispersión.
0,0025
Error
0,0020
E average with U expanded uncertainty in point with
smaller dispersion (Graph 5)
0,0015
0,0020
0,0000
0
5
10
Pressure
LACOMET
15
20
Error +/- uncertainty
0,0005
25
Enaer
La Gráfica 3, se registran los errores de la Gráfica 2
y se incluye la incertidumbre expandida asignada
por cada laboratorio en la calibración del patrón de
comparación.
Average Error promedio and expanded uncertainty
between laboratories (graph 3)
0,0025
0,0020
0,0015
0,0010
0,0005
0,0000
5
10
15
20
25
bar
LACOMET
0,0010
0,0005
0,0000
6 bar
-0,0005
Gráfica 5. Error E, con incertidumbre expandida, U,
en el punto de medición con menor dispersión.
5.
DISCUSIÓN
5.1 Valores de referencia
0,0030
-0,0005 0
-0,0010
0,0015
-0,0010
Gráfica 2. Curvas de error, E, obtenidas por los 2
laboratorios para el patrón de comparación.
Error +/- uncertainty
ENAER
LACOMET
0,0010
Enaer
Gráfica 3. Datos de error, E, con incertidumbre
expandida, U, obtenidas por los laboratorios.
Las Gráficas 4 y 5 muestran los casos en donde se
obtuvo la mayor concordancia y la mayor dispersión
entre los resultados de los laboratorios, de acuerdo
a los datos presentados en las Tablas 3 y 4.
Los valores de error e incertidumbre de referencia,
Eref y Uref, con los cuales se comparan los
resultados
obtenidos
por
los
laboratorios
participantes se definen en las siguientes
ecuaciones. Considerando que los dos laboratorios
son de alta exactitud, para la definición del valor de
error de referencia se utilizó la siguiente ecuación.
Eref = (EENAER + ELACOMET) / 2
(3)
Para la definición del valor de referencia de la
incertidumbre, Uref, se tomaron consideraciones
similares, por lo que la ecuación utilizada fue:
Uref = U 2ENAER U 2LACOMET U 2deriva
(4)
Comparación LCPN-P ENAER y LACOMET
29 Diciembre 2009
Donde Uderiva es la incertidumbre debida a la deriva
del patrón de comparación y se calcula de:
Uderiva = s / N1/2
s=
N=
bar
(5)
5.2 Desempeño de los laboratorios
U
2
lab
U
2
ref
-0,06
0,16
0,05
0,18
0,12
0,08
0,03
0,14
0,17
0,11
0,05
-0,14
-0,04
-0,16
-0,11
-0,07
-0,03
-0,13
-0,15
-0,10
20
Tabla 5. Datos del error normalizado de los
laboratorios participantes.
La Gráfica 6 es una presentación esquemática de
los errores normalizados, En, de los laboratorios
participantes.
Graph of normalized error of laboratories
1,00
0,50
En
En = (Elab -Eref) /
Normalizad Error
LCPN-P ENAER
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Desviación estándar experimental de los
errores obtenidos en las dos calibraciones
realizadas por LCPN-P, ENAER Chile.
Número de mediciones realizadas por
ENAER (2).
Los resultados obtenidos por los laboratorios se
analizaron mediante el criterio del error normalizado,
En. El método de error normalizado es ampliamente
conocido y ha sido utilizado en otras comparaciones
de presión dando resultados adecuados para los
fines intencionados, ver por ejemplo referencias [8,
9, 10].
El error normalizado se calcula mediante la fórmula
que se da a continuación. Ésta se aplica para cada
punto de medición examinado, de cada laboratorio,
considerando el valor de referencia de acuerdo a la
definición anterior.
Normalizad Error
LACOMET
(6)
0,00
-0,50
0
5
10
15
20
25
-1,00
En = Error normalizado.
Elab= Error de la medición que obtiene el
laboratorio participante.
Eref = Error de referencia de la medición.
Ulab= Incertidumbre expandida (k=2) de la
medición del laboratorio participante.
Uref = Incertidumbre expandida (k=2) de
referencia de la medición.
Al utilizar este criterio para la comparación, el valor
absoluto del error normalizado En, debe ser menor
a uno para considerar que existe compatibilidad de
mediciones entre los laboratorios [11, 12]. El
conjunto de los errores normalizados En, de ambos
participantes y de todos los puntos de medición
están en la Tabla 5 siguiente.
Pressure
Normalized Error LACOMET
Normalized Error LCPN-P Enaer
Gráfica 6. Curvas del error normalizado de los
laboratorios participantes.
6.
CONCLUSIONES
De los resultados que obtuvo el laboratorio piloto en
las dos calibraciones realizadas, se puede observar:
1) Las calibraciones realizadas durante el periodo
de la comparación, muestran una buena
estabilidad del instrumento a corto plazo. Esto se
puede ver claramente en la Gráfica 1, curvas
ENA1 y ENA2, donde las dos calibraciones
mencionadas se realizaron en diferentes fechas
con
pequeñas
variaciones
de
presión
atmosférica y de humedad. Los resultados de
estas calibraciones muestra la transparencia del
instrumento
utilizado
como
patrón
de
comparación a estos efectos y la confiabilidad en
Comparación LCPN-P ENAER y LACOMET
la estabilidad del mismo para los fines de esta
comparación.
29 Diciembre 2009
REFERENCIAS
[1]
2) Las mismas calibraciones realizadas por ENAER
permiten estimar la deriva del patrón de
comparación. La Gráfica 1, muestra la deriva del
patrón, la cual se presenta como un incremento
de la lectura del patrón de comparación con
respecto al tiempo, en términos generales casi
en todo el alcance de medición. Calculando la
deriva máxima, en las dos mediciones en 0,0010
bar, se presenta un error máximo del 0,005% de
la escala total del instrumento. Esta cifra es 5
veces menor que la exactitud declarada para el
instrumento, siendo por lo tanto, adecuado para
los fines de esta comparación.
El uso de una hoja de cálculo permite unificar la
evaluación de errores e incertidumbres, al mismo
tiempo que se asegura que las lecturas obtenidas
sean comparables y en condiciones similares para
los laboratorios participantes (en este caso se uso el
Formato 1 [6], basado en la guía DKD-R 6-1).
Ambos laboratorios declararon conformidad en la
clase de exactitud del manómetro calibrado (0,025%
del alcance máximo de medición) o patrón de
comparación.
Los resultados obtenidos en esta comparación
muestran concordancia entre las mediciones de los
laboratorios y están dentro de los límites
establecidos como satisfactorios para el uso de la
ecuación del error normalizado.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece al jefe del grupo de presión (Ingeniero
Pablo Olvera CENAM) por la coordinación de la
actividad en el ámbito del SIM para realizar esta
comparación. Al Instituto Nacional de Normalización
de Chile (INN) por el apoyo financiero otorgado al
LCPN-P de ENAER para realizar esta comparación.
Guide to the Expression of uncertainty in
measurement ISO TAG 4 WG3. BIPM, IEC,
IFCC, ISO, IUPAC, OIML; 1995.
[2] The International System of Units. Bureau
International des poids et mesures 7°edition,
1998. ISBN 92-822-2154-7.
[3] Torres Guzmán J. C., Comparaciones de
Patrones
de
Medición,
IV
Congreso
Internacional y XVI Nacional de Metrología y
Normalización. Guadalajara. Octubre 2000.
[4] Torres Guzmán J. C., Guía y Lineamientos
Generales para Comparaciones de Patrones
de Medición, Memorias del Segundo Congreso
Internacional Metrocal. Chile. 2001.
[5] Lineamientos generales y procedimiento de la
comparación CENAM-LCPN-P ENAER. Chile
Mayo 2002.
[6] Torres Guzmán J. C. Formato 1: Hoja de
Cálculo. Toma de datos y evaluación. Archivo
Excel. División de Fuerza y Presión del
CENAM, México.
[7] Torres Guzmán J. C. Procedimiento para la
calibración del manómetro eléctrico de la
comparación CENAM-LCPN-P. División de
Metrología de Fuerza y Presión del CENAM,
México.
[8] Torres Guzmán J. C., Soriano Cardona J. B.,
Jõger J., Pressure Standards Comparison
between Germany and Mexico (Primary and
Secondary Laboratories). NCSL International,
Workshop and Symposium 2002, 6E Pressure
III. San Diego, USA. Agosto 2002.
[9] Idrovo Calderón R., Neira Catalina, Torres
Guzmán J. C., Comparación de Patrones de
Presión en el SIM/ANDIMET. Simposio de
Metrología 2002. México. 2002.
[10] Torres Guzmán J. C., Soriano Cardona B.,
Couto P. R., Pressure Standards Comparison
Within the Interamerican Metrology System
(SIM), up to 100 MPa. NCSL International,
Workshop and Symposium 3D National &
International Comparisons. USA. 2001.
[11] Documento Número 8. Noramet. 1998.
[12] EAL–P7, EAL Interlaboratory Comparisons.
1996.